MỤC LỤC
DANH MỤC BẢNG...........................................................................................................................................................................3
DANH MỤC HÌNH VẼ.......................................................................................................................................................................3
LỜI NÓI ĐẦU....................................................................................................................................................................................6
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ NÒNG SÚNG PHÁO VÀ PHÁO PHÒNG KHÔNG 57MM C60........................................................8
1.1 Giới thiệu chung về nòng súng pháo...........................................................................................................................................8
1.1.1. Công dụng nòng súng pháo....................................................................................................................................................8
1.1.2. Yêu cầu nòng súng pháo.........................................................................................................................................................8
1.1.3. Phân loại nòng súng pháo.......................................................................................................................................................8
1.1.4. Các lực tác dụng lên nòng khi bắn.........................................................................................................................................11
1.2 Tổng quan về pháo phòng không 57mm C60....................................................................................................................... 21
1.2.1. Giới thiệu chung.....................................................................................................................................................................21
1.2.2. Cấu tạo chính của một số bộ phận.........................................................................................................................................24
1.2.3. Hoạt động MTĐ pháo phòng không 57mm C60.....................................................................................................................36
Kết luận chương 1..........................................................................................................................................................................42
Chương 2: TÍNH TOÁN KẾT CẤU VÀ NGHIỆM BỀN NÒNG PHÁO PHÒNG KHÔNG 57MM C60.............................................43
2.1 Giải bài toán thuật phóng trong..............................................................................................................................................43
2.1.1. Các giả thiết cơ bản................................................................................................................................................................44
2.1.2. Thiết lập phương trình vi phân thuật phóng trong..................................................................................................................44
2.1.3. Giải bài toán thuật phóng trong...............................................................................................................................................45
2.2 Tính toán kết cấu và thiết kế nòng..........................................................................................................................................48
2.2.1. Kết cấu và tính toán phần dẫn động.......................................................................................................................................48
2.2.2. Tính toán phần buồng đạn......................................................................................................................................................50
2.2.3. Thứ tự tính toán thiết kế nòng................................................................................................................................................52
2.3 Tính toán các mối lắp ghép liên kết của nòng.......................................................................................................................59
2.3.1. Mối lắp ghép đầu nòng với loa hãm lùi...................................................................................................................................59
2.3.2. Mối lắp ghép đuôi nòng với khóa nòng...................................................................................................................................60
2.4 Nghiệm bền nòng......................................................................................................................................................................62
2.4.1. Nghiệm bền thành nòng..........................................................................................................................................................62
2.4.2. Nghiệm bền rãnh xoắn............................................................................................................................................................68
Kết luận chương 2..........................................................................................................................................................................68
Chương 3: TÍNH TUỔI THỌ NÒNG VÀ BIỆN PHÁP NÂNG CAO TUỔI THỌ NÒNG PHÁO PHÒNG KHÔNG 57MM C60........70
3.1. Các khái niệm chung về độ mòn và tuổi thọ nòng..............................................................................................................70
3.1.1. Độ mòn nòng súng pháo........................................................................................................................................................70
3.1.2. Tuổi thọ nòng..........................................................................................................................................................................77
3.1.3. Mối quan hệ giữa độ mòn và tuổi thọ nòng............................................................................................................................78
3.1.4. Các nguyên nhân gây mòn nòng pháo...................................................................................................................................81
3.2. Các phương pháp tính tuổi thọ nòng....................................................................................................................................87
3.2.1. Phương pháp tính tuổi thọ nòng của B.V.Orlốv......................................................................................................................87
3.2.2. Phương pháp tính tuổi thọ nòng của Linte.............................................................................................................................88
3.2.3. Phương pháp tính tuổi thọ nòng của Gabô và V.E. Slukhốpxki.............................................................................................88
3.3. Tuổi thọ nòng pháo phòng không 57mm C60......................................................................................................................92
3.3.1. Tính tuổi thọ nòng theo B.V. Orlốv.........................................................................................................................................92
3.3.2. Tính tuổi thọ nòng theo Linte.................................................................................................................................................93
3.3.3. Tính tuổi thọ nòng theo Gabô và V.E. Slukhốpxki.................................................................................................................93
3.4. Các biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng................................................................................................................................95
3.4.1. Nhóm các biện pháp thuật phóng.........................................................................................................................................95
3.4.2. Các biện pháp kết cấu - kỹ thuật - logic và các phương tiện bảo vệ....................................................................................96
3.4.3. Các biện pháp khai thác........................................................................................................................................................98
3.4.4. Biện pháp nhiệt luyện............................................................................................................................................................99
Kết luận chương 3.......................................................................................................................................................................101
KẾT LUẬN ĐỒ ÁN........................................................................................................................................................................102
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................................................................................103
PHỤ LỤC.......................................................................................................................................................................................104
LỜI NÓI ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vũ khí trang bị kỹ thuật (VKTBKT) là tài sản lớn của mỗi quốc gia, là một trong những yếu tố quan trọng cùng với con người tạo nên sức mạnh tổng hợp cho Quân đội. Trong thời đại ngày nay, khi mà VKTBKT của các nước trên thế giới ngày càng hiện đại, còn đối với Quân đội ta do nền kinh tế của đất nước còn khó khăn, lại bị chiến tranh tàn phá kéo dài. Do vậy, việc hiện đại hoá Quân đội nói chung và VKTBKT nói riêng gặp nhiều khó khăn. Với yêu cầu đòi hỏi phải xây dựng Quân đội: “Chính qui, tinh nhuệ, từng bước hiện đại” và thực hiện tốt quan điểm: “Cần, kiệm, tự lực, tự cường” của Đảng, trong khi đó phần lớn trang bị của Quân đội ta hiện nay đã trở nên lạc hậu so với Thế giới; vì vậy yêu cầu đặt ra đối với cán bộ kỹ thuật trong Quân đội là phải nắm chắc đặc điểm cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các loại VKTBKT để từ đó đưa ra được các qui trình khai thác, sử dụng VKTBKT đạt hiệu quả cao nhất.
Pháo phòng không 57mm C60 do Liên Xô sản xuất. Pháo được xuất sang Việt Nam vào đầu những năm 70 qua con đường viện trợ quân sự. Trong kháng chiến chống Mỹ, pháo phòng không 57mm C60 đã phối hợp sát cánh cùng các loại vũ khí phòng không khác bảo vệ vững chắc vùng trời của ta, đập tan âm mưu dùng không quân phá hoại miền Bắc, cắt đứt sự chi viện cho miền Nam của địch. Pháo có ưu điểm là tốc độ bắn lớn, tầm bắn xa, độ chính xác cao, khả năng cơ động tốt, có thể bắn tự động bằng ra đa, máy chỉ huy,… Do đó, pháo là trang bị phòng không tầm trung khá hiệu quả của Quân đội ta hiện nay.
Thực hiện nhiệm vụ đồ án: “Nghiên cứu tính toán kết cấu nòng và biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng pháo phòng không 57mm C60” giúp bản thân tôi hiểu rõ về đặc điểm cấu tạo, nguyên lý làm việc và chế độ khai thác sử dụng pháo trong Quân đội ta hiện nay. Không những vậy thông qua sự giúp đỡ của giảng viên và sự cố gắng của học viên để nắm chắc được quy trình tính toán thiết kế và các biện pháp để năng cao tuổi thọ nòng súng pháo để phục vụ cho quá trình sử dụng và khai thác sau này tại đơn vị sau này.
2. Mục tiêu của đề tài
Tổng quan về nòng súng pháo và hiểu rõ về đặc điểm cấu tạo, nguyên lý chuyển động của nòng pháo phòng không 57mm C60. Nắm chắc quá trình tính toán thiết kế và nghiệm bền nòng pháo phòng không 57mm C60. Từ đó, đưa ra những biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng.
3. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Hiểu rõ đặc điểm cấu tạo nòng pháo phòng không 57mm C60.
- Tính toán kết cấu thiết kế và nghiệm bền nòng pháo phòng không 57mm C60.
- Tính toán tuổi thọ nòng và một số biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng phá phòng không 57mm C60.
4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu: Pháo phòng không 57mm C60.
- Phạm vi nghiên cứu: Nòng pháo phòng không 57mm C60.
5. Phương pháp nghiên cứu, lựa chọn giải pháp công nghệ
- Sử dụng pháo phòng không 57mm có sẵn tại nhà trường để nghiên cứu và trong quá trình thực tập ngoài đơn vị.
- Áp dụng có phần mềm tính toán để thuận lợi cho quá trình nghiên cứu đồ án.
6. Tình hình nghiên cứu có liên quan đến đồ án
7. Dự kiến sản phẩm của đồ án
- Thuyết minh đồ án (05 quyển)
- Bản vẽ lắp Nòng pháo phòng không 57mm C60 (01 bản A0)
- Sơ đồ nòng và các đường cong áp suất PPK 57mm C60 (01 bản A0)
- Sơ đồ tính tuổi thọ nòng và biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng PPK 57mm C60 (01 bản A0)
8. Kết cấu của đồ án
Lời nói đầu
Chương 1: Tổng quan về nòng súng pháo và pháo phòng không 57mm C60.
Chương 2: Tính toán kết cấu và nghiệm bền nòng pháo phòng không 57mm C60.
Chương 3: Tính tuổi thọ nòng và biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng pháo phòng không 57mm C60.
Kết luận đồ án.
Chương 1
TỔNG QUAN VỀ NÒNG SÚNG PHÁO VÀ PHÁO PHÒNG KHÔNG 57MMC60
1.1. Giới thiệu chung về nòng súng pháo
1.1.1. Công dụng nòng súng pháo
Nòng súng pháo có công dụng sau:
- Là nơi thực hiện quá trình cháy và sinh công của thuốc phóng, để tạo cho đầu đạn có một tốc độ chuyển động tịnh tiến nhất định lúc rời miệng nòng (vo).
- Định hướng chuyển động cho đầu đạn trong không gian để bay tới mục tiêu.
- Tạo ra tốc độ quay cho đầu đạn quanh trục dọc của mình để ổn định bay trên quĩ đạo (đối với nòng rãnh xoắn).
1.1.2. Yêu cầu nòng súng pháo
- Độ bền đầy đủ, tức là có các chỉ tiêu bền cao: giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy và giới hạn bền (đứt), như người ta thường nói, có độ bền cao;
- Độ cứng đủ lớn, độ dai va đập không nhỏ hơn 0,003¸0,004 N.m/m2 để kháng cự tốt các tải trọng làm gẫy vỡ do va đập khi khai thác;
- Độ dẻo (độ co thắt dư tương đối không nhỏ hơn 20%).
Yêu cầu này là trong trường hợp có sự cố kim loại nòng cần có sự phá huỷ ở dạng phình ra chứ không gãy (đứt) ra thành các mảnh;
- Có tính kinh tế chế tạo và gia công kim loại, dùng nguồn nguyên liệu trong nước.
1.1.3. Phân loại nòng súng pháo
Dựa theo cấu tạo thành nòng người ta chia nòng pháo thành các loại như sau: nòng đơn, nòng nhiều lớp và nòng tháo được theo chiều dài.
1.1.3.1. Nòng đơn
- Nòng đơn là nòng mà thành của nó chỉ có một lớp kim loại, hay nói một cách khác nó được chế tạo từ một phôi nguyên.
- Ưu điểm nổi bật của loại nòng này là có kết cấu đơn giản và chế tạo dễ dàng hơn các loại khác. Nhược điểm là ứng suất xuất hiện khi bắn phân bố không đều theo chiều dày thành nòng (hình 1.1).
1.1.3.3. Nòng nối theo chiều dài
- Đây là loại nòng tháo được theo chiều dài, gồm một số đoạn được nối với nhau theo chiều dài.
- Ưu điểm: dễ tháo lắp trong quá trình vận chuyển, hành quân,… Có khả năng thay thế các đoạn nòng riêng rẽ ví dụ như khi nòng bị mòn
- Nhược điểm: giảm độ cứng vững ở các phần nối và khó đảm bảo bịt kín khí thuốc ở các chỗ ghép nối.
- Nòng nối theo chiều dài gồm có: nòng ghép căng (h1.3), nòng tự tăng bền. Nòng ghép căng là nòng mà thành của nó có nhiều lớp (từ hai lớp trở lên) được ghép căng với nhau hay là ghép có độ dôi .
- Nòng tự tăng bền là một nòng đơn nhưng được trải qua một nguyên công đặc biệt - nguyên công tăng bền. Bản chất của việc tự tăng bền cho nòng đơn là tạo sẵn ra ứng suất định hướng thuận lợi s’ (ở các lớp trong, ngược dấu với ứng suất s” xuất hiện do tác dụng của áp suất khí thuốc
1.1.4.2. Các lực tương tác của đầu đạn với thành nòng
a. Áp lực hướng kính của đai dẫn vào thành nòng
Nguyên nhân chính của lực này là áp suất hướng kính của đai dẫn vào thành nòng (hình 1.6). Nó xuất hiện do sự khác nhau của đường kính đai dẫn và lòng nòng. Khi đai dẫn đi vào phần côn xiết nó bị bó chặt, ở thành nòng xuất hiện áp suất qn’. Vào thời điểm xiết vào rãnh xoắn do sự lèn chặt và bồi đắp kim loại của đai dẫn tạo ra áp suất bổ sung qn’’. Và như vậy:
qn = qn’ + qn’’
b. Áp lực của đai dẫn vào thành xiết rãnh xoắn
Lực này (ký hiệu là N) được gây ra bởi sức cản quán tính của đầu đạn với chuyển động quay theo các rãnh xoắn. Nó được hướng theo pháp tuyến với bề mặt tiếp xúc của thành xiết rãnh xoắn.
A = qr2 : mô men quán tính cực của đầu đạn so với trục quay của nó; r - bán kính quán tính của đầu đạn; j : góc xoay của đầu đạn; r = d/2; d - cỡ nòng.
Đối với PPK 57mm C60 chọn l = 0,65 khi đó:
N = λ/n(pdi.S.tanα)= 1785 (N)
Với đại lượng Nmax được tiến hành tính bền rãnh xoắn và đai dẫn của đạn.
c. Các phản lực của đai định tâm của đầu đạn
Nguyên nhân xuất hiện các phản lực này là sự hiện diện của khe hở giữa đai định tâm đạn và sống xoắn, sự không cân bằng tĩnh của đầu đạn (khối tâm không trùng với trục hình học của đầu đạn) và sự không cân bằng động của đầu đạn (sự không trùng của tâm các khối riêng biệt với trục đầu đạn khi có sự cân bằng tĩnh chung).
Sơ đồ tính toán để xác định lực các phản lực của đai định tâm của đầu đạn Q được trình bày trên (hình 1.8). Trong đó:
b : khoảng cách giữa các mặt phẳng trung bình của đai định tâm và đai dẫn;
D : khe hở một phía;
l : khoảng cách từ đai dẫn đến khối tâm của đầu đạn;
d : góc giữa các trục hình học của đầu đạn và lòng nòng;
ec : độ lệch tâm của đầu đạn;
Áp dụng nguyên lý D'alambert, ta xét điều kiện cân bằng của đầu đạn khi đưa tổng các hình chiếu của các lực đặt vào nó trên trục nòng về bằng không:
Pdi – Idn - rN + Q sind - Q sind + F¶ sind - F¶ sind = 0
e. Lực thực hiện chuyển động lùi nòng
Lực này thể hiện là tổng đại số hình chiếu của các lực khí thuốc và lực đai dẫn của đạn xuống đường trục nòng. Nó còn được gọi là hợp lực khí thuốc (hợp lực phát bắn). Ở thời kỳ đầu đạn chuyển động trong nòng:
Plg = Pda-Pc-rN = pda.ns.d2-rN
Trong đó: rN : áp lực dọc trục của đai dẫn vào thành xiết rãnh xoắn.
Qui luật biến thiên của hợp lực Plg gần giống như của áp suất khí thuốc. Giá trị Plgm đạt được vào thời điểm áp suất khí thuốc lớn nhất (h1.10):
Plgm = pdam ns d2 - rN
Do rN không vượt quá 2% so với pdam ns d2, khi tính toán có thể chấp thuận
Plgm » 0,98 pdam S
Đối với PPK 57mm C60, ở thời kỳ đầu đạn chuyển động trong nòng:
Plgm » 0,98 pdam .S = 0,98.3717,3.105.0,266.10-2 = 106 (N)
Trong đó:
pdam : áp suất khí thuốc lớn nhất tác dụng vào đáy lòng;
S : diện tích tiết diện của lòng nòng.
Trong thời kỳ TDSC của khí thuốc (t2 = t) khi có loa hãm lùi
P’lg = Plg - Rl
Trong đó:
Rl : lực của loa hãm lùi
Hợp lực khí thuốc Plg là động lực làm cho khối lùi của pháo chuyển động ra phía sau.
1.2. Tổng quan về pháo phòng không 57 mm C60
1.2.1. Giới thiệu chung
1.2.1.1. Công dụng
Pháo phòng không 57mm chủ yếu dùng để bắn các mục tiêu ở trên không như: Máy bay, quân nhảy dù, đèn chiếu sáng….
Khi dùng máy chỉ huy điều khiển pháo bắn được các mục tiêu ở cự ly hiệu quả 6000m, độ cao 5500m; khi dùng máy ngắm pháo bắn được các mục tiêu ở cự ly 5500m, độ cao 4000m; khi dùng ra đa, máy chỉ huy phối hợp điều khiển, pháo có thể bắn được các mục tiêu không nhìn thấy, như ban đêm, trời có sương mù; khi cần có thể bắn các mục tiêu mặt đất, mặt nước: như xe tăng, xe bọc thép, hoả điểm, lô cốt, tàu, xuồng trên sông, trên biển.
1.2.1.2. Các số liệu cơ bản
Cỡ nòng 57 (mm)
Sơ tốc đầu đạn 1000 (m/s)
Áp suất lớn nhất trong nòng pmax 310 (MPa)
Số rãnh xoắn 24
Góc xoắn phải 507’45’’
Nòng dài 4160 (mm)
Tốc độ bắn lý thuyết 105÷120(phát/phút)
Tốc độ bắn thực tế 40÷50 (phát/phút)
Chiều cao đường lửa 1030 (mm)
Chiều dài lùi tốt nhất của thân pháo 300÷360 (mm)
Chiều dài lùi tối đa của thân pháo 370 (mm)
Khối lượng của một số bộ phận
+ Khối lượng của thân pháo và bộ phận đẩy lên 330 (kg)
+ Khối lượng của khối lùi 380 (kg)
+ Khối lượng của khối lên xuống 750 (kg)
+ Khối lượng của khối quay 2500 (kg)
+ Khối lượng của xe pháo 2000 (kg)
+ Khối lượng của pháo khi hành quân 4750 (kg)
1.2.1.3. Đặc điểm cấu tạo
- Pháo phòng không 57mm C60 là loại pháo bắn tự động theo nguyên lý thân pháo lùi truyền năng lượng cho các bộ phận tự động làm việc, thực hiện chức năng: mở khoá nòng, rút vỏ đạn, tiếp đạn vào đường tống đạn, nạp đạn vào đường tống đạn, đóng khoá nòng và phát hỏa.
- Tùy theo cách đạp cò (điều khiển bắn) của pháo thủ, pháo có thể bắn điểm xạ, bắn loạt vừa, loạt dài.
- Pháo tự động ngừng bắn khi trong tiếp đạn còn một viên đạn.
1.2.2. Cấu tạo chính của một số bộ phận
1.2.2.1. Thân pháo
Thân pháo như hình 1.3.
b. Loa hãm lùi
- Công dụng: Dùng tiêu hao một phần năng lượng của khối lùi, giảm lực tác dụng lên giá pháo khi bắn.
- Cấu tạo (hình 1.14): Loa hãm lùi có dạng hình ống bằng thép đúc, phía trước loa có 4 vạch để kiểm tra thống nhất đường ngắm, phía sau có ren trái (4) lắp với nòng pháo, có đai ốc (3) và vòng đệm hãm cố định.
d. Vòng đỡ thân pháo
- Cấu tạo: Thân vòng đỡ (6), hai bên có lắp 2 bản lót khớp với sống trượt của máng pháo đồng thời làm giảm ma sát khi chuyển động, bản lót được cố định với vòng đỡ bằng các vít (8). Trên vòng đỡ có lỗ khuyết (5) để tiếp đạn vào đường tống đạn và tháo đạn ra, bên trái có khuyết (9) để chứa cần khoá của khoá bàn tiếp đạn.
1.2.2.3. Bộ phận gia tốc
Bộ phận gia tốc pháo phòng không 57mm là loại gia tốc đòn bẩy bản dưỡng, gồm có:
+ Bệ gia tốc. Để cố định bộ phận gia tốc.
Cấu tạo gồm: Bệ đỡ (2) lắp với vòng đỡ thân pháo bằng 4 bu lông, trên bệ có rãnh định hướng để định hướng cho mấu dẫn của thân khoá nòng trượt đúng hướng, có khuyết để lắp bản lót của khoá hạn chế lùi, có lỗ lắp chốt liên kết và nhíp hãm.
+ Bộ phận gia tốc
Cần gia tốc (3) đầu dưới hàn liền với trục then hoa (7), phần giữa có trục vòng lăn (4) và vòng lăn (6) để lăn trên bản dưỡng khi thân pháo lùi, đầu trên có mặt cong (1) để tác dụng vào mặt công tác của giá đỡ khoá nòng.
1.2.2.6. Bộ phận đẩy lên
a. Công dụng
Đưa khối lùi trở về vị trí ban đầu sau mỗi phát bắn; giữ cho thân pháo ở vị trí trên cùng với mọi góc bắn giúp quá trình bắn của pháo được ổn định; tiêu hao một phần năng lượng lùi của khối lùi.
b.Cấu tạo
Lò xo đẩy lên có tiết diện hình chữ nhật, một đầu tỳ vào vòng đệm và vòng đỡ thân pháo, một đầu tỳ vào đai ốc định hướng. Đai ốc định hướng bên trong có ren liên kết với nòng pháo bên ngoài có ren liên kết với bạc đồng và được cố định với nòng bằng vít hãm. Bạc đồng dùng để giảm ma sát khi chuyển động trong ống cổ. Khi bắn do áp lực của khí thuốc làm cho nòng lùi, mang theo đai ốc đinh hướng lùi về sau.
1.2.2.8. Bộ phận cò
a. Cò chân
- Công dụng: cò chân dùng để giữ khoá nòng ở phía sau khi mở khoá nòng bằng tay và khi ngừng bắn, giải phóng khoá nòng khi bắn.
- Cấu tạo gồm:
+ Khoá bắn (19) lắp trên bệ cố định (1) bằng trục (cùng khoá tự động bắn), có mấu trụ ở khuỷu của trục, lò xo luôn đẩy khoá bắn quay xuống, trục nối (18) đầu trong có khuỷu, phía dưới khuỷu có mấu trụ liên kết với khoá bắn, phía ngoài có đoạn trục vuông lắp với cần lẫy (17), cần lẫy đầu trên có lỗ vuông lắp với trục nối (18), đầu dưới có mấu trụ tiếp xúc với thanh trượt (16).
+ Cần lẫy (15) giữa có lỗ lắp trục, đầu trong liên kết với thanh trượt (16), đầu ngoài liên kết với chốt đẩy (14).
+ Chốt đẩy (14) lắp trong trục tai máng, đầu trong có lỗ cho đầu ngoài của cần lẫy (15) gài vào, đầu ngoài tiếp xúc với cần lẫy (2). Lò xo lắp lồng bên ngoài chốt đẩy dùng để đẩy chốt đẩy về vị trí ban đầu khi thôi đạp cò.
b. Cò tự động
- Công dụng: dùng để giữ và giải phóng khoá nòng khi bắn tự động.
- Cấu tạo gồm:
+ Khoá tự động bắn (20) lắp cùng trục khoá bắn, khoá tự động bắn được liên kết với cán kéo (21) bằng trục nối thông qua đấu nối. Lò xo luôn đẩy khoá tự động bắn (20) quay xuống.
1.2.3. Hoạt động MTĐ pháo phòng không 57 mm C60
1.2.3.1. Vị trí bình thường của các bộ phận
Khoá nòng đóng kín đuôi nòng, các hàng răng gián đoạn của thân khoá ăn khớp với các hàng răng gián đoạn phía sau đuôi nòng, lò xo tống đạn giãn. Giá đỡ khoá nòng tiến sát thân khoá, kim hoả nhô khỏi mặt gương khoá nòng, cản đạn trước nhô ra. Khoá hạn chế lùi lọt vào khuyết bệ gia tốc giữ không cho khoá nòng giật lùi. Bàn trượt ấn đạn ở phía trong, vòng đỡ thân pháo ép cán hoạt động làm cho khoá bản trượt quay ra ngoài ở thế mở. Bàn quay ở vị trí 1, khoá hạn chế lùi tỳ vào bản lót trên bệ gia tốc, bánh răng trung gian không ăn khớp với thanh răng của giá đỡ khoá nòng.
1.2.3.3. Vị trí của các bộ phận khi bắn tự động
a. Khi thân pháo lùi
- Sau khi viên đạn nổ dưới tác dụng của áp suất khí thuốc làm cho thân pháo, cơ quan gia tốc và cán piston hãm lùi cùng chuyển động về sau, lò xo đẩy lên nén.
- Thân pháo lùi được khoảng 30mm cần lẫy của cơ cấu khoá bàn tiếp đạn lọt vào khuyết trên vòng đỡ thân pháo, dưới tác dụng của lò xo, khoá bàn tiếp đạn quay vào trạng thái sẵn sàng giữ bàn tiếp đạn ở thế mở.
- Thân pháo lùi được khoảng 50mm, mặt cong của bản hãm nòng tỳ vào đầu của cần mở tự động, cần mở tự động quay, lò xo vặn xoắn lại. Mặt cam của cần mở tự động tỳ vào vòng lăn của cần 3 chạc đẩy bàn tiếp đạn chuyển động từ trong ra ngoài, lò xo tiếp đạn nén.
- Khoá nòng lùi rút vỏ đạn ra khỏi buồng đạn đồng thời nén lò xo tống đạn, khi khoá nòng sắp kết thúc lùi, giá đỡ khoá nòng lướt qua khoá tự động bắn và tác động vào bộ phận giảm va, bộ phận giảm va làm việc giảm va đập cho khoá nòng.
- Khoá nòng lùi hết, lò xo tống đạn đẩy khoá nòng tiến nhưng chỉ tiến lên được một đoạn ngắn thì bị khoá tự động bắn giữ lại ở phía sau.
- Dưới tác dụng của áp suất khí thuốc, thân pháo lùi, cán piston cũng lùi theo, ống hãm lùi cố định trên máng pháo. Lúc này dầu ở khoang sau bị dồn ép đẩy piston tự do về trước bịt 2 rãnh dọc chảy dầu trên thân piston.
b. Khi thân pháo đẩy lên
- Khi hết năng lượng lùi, lò xo đẩy lên giãn đẩy thân pháo tiến lên.
- Khoá nòng bị khoá tự động bắn giữ lại ở phía sau, lò xo tống đạn nén.
Thân pháo tiến gần hết mấu dẫn phía dưới thân khoá tỳ vào bản dẫn của bộ phận định hướng làm lò xo định hướng nén, giữ cho thân khoá nằm chính xác ở vị trí chờ tiếp đạn.
Kết luận chương 1
Trong chương 1, đồ án đã khái quát chung về nòng súng pháo về các công dụng, yêu cầu, phân loại và các lực tác dụng lên nòng, đặc biệt là tìm hiểu về nòng pháo phòng không 57mmC60.
Ngoài kiến thức tìm hiểu được trong tài liệu, tôi đã đo đạc một số kích thước, khối lượng của một số chi tiết trên bộ phận nòng. Thông qua các số liệu đo đạc về kích thước và trọng lượng của một số chi tiết nòng để phục vụ cho quá trình làm đồ án ở các chương tiếp theo.
Chính vì vậy, việc nghiên cứu và tìm hiểu về nòng súng pháo đã giúp bản thân có một số kiến thức cơ bản và số liệu cần thiết để giải quyết bài toán thiết kế nòng pháo và tuổi thọ nòng sẽ được giới thiệu ở chương 2 và chương 3, từ đó giúp tìm ra một số yếu tố ảnh hưởng đến nòng pháo, cũng như đề ra một số biện pháp để nâng cao tuổi thọ nòng pháo ở chương 3.
Chương 2
TÍNH TOÁN KẾT CẤU VÀ NGHIỆM BỀN NÒNG PHÁO PHÒNG KHÔNG 57MM C60
2.1. Giải bài toán thuật phóng trong
Bài toán thuật phóng trong giúp ta tìm được mối liên hệ của áp suất thuật phóng và vận tốc chuyển động của đạn theo thời gian p (t), v(t) hoặc theo quãng đường đạn chuyển động trong lòng nòng p(t), v(t). Sau khi giải bài toán thuật phóng trong ta sẽ thiết lập được mối liên hệ giữa các đặc trưng kết cấu lòng nòng, các điều kiện nhồi và các phần tử thuật phóng của hiện tượng bắn.
* Thời kỳ sơ bộ:
Bắt đầu từ thời điểm thuốc phóng được mồi cháy tới khi đai đạn hoàn toàn tống vào rãnh nòng.
* Thời kỳ thứ nhất:
Bắt đầu từ thời điểm đai đạn hoàn toàn tống vào rãnh nòng, đạn bắt đầu chuyển động cho tới khi thuốc phóng cháy hết.
* Thời kỳ thứ 2:
Bắt đầu từ thời điểm thuốc phóng cháy vừa hết cho tới khi đáy đạn vừa bay ra khỏi nòng.
* Thời kỳ thứ 3:
Từ khi đai định tâm ra khỏi miệng nòng đến khi đuôi đạn ra khỏi miệng nòng (thời kỳ tác dụng sau cùng của khí thuốc lên đáy đạn).
2.1.1. Các giả thiết cơ bản
- Thuốc phóng cháy theo qui luật hình học và qui luật cháy của thuốc phóng được diễn tả bởi công thức u = u1.p (cháy theo qui luật tuyến tính).
- Các công thứ yếu của khí thuốc đều tỷ lệ với công chủ yếu làm đạn chuyển động tịnh tiến và được tính đến bởi hệ số tăng nặng j.
- Toàn bộ liều phóng cháy trong điều kiện áp suất như nhau và bằng áp suất trung bình thuật phóng.
2.1.3. Giải bài toán thuật phóng trong
2.1.3.1. Các số liệu ban đầu
Cỡ nòng d = 0,057 (m)
Diện tích tiết diện lòng nòng S = 0,266.10-2 (m2)
Thể tích buồng đốt Wo = 1,525.10-3 (m3)
Quãng đường chuyển động của đạn trong lòng nòng lđ = 3,62 (m)
Trọng lượng đầu đạn q = 2,8 (kG)
Áp suất tống đạn p0 = 30 (MPa)
Trọng lượng thuốc phóng w = 1,19 (kG)
Lực thuốc phóng f = 95000 (J/kG)
2.1.3.2. Giải hệ phương trình thuật phóng trong
Sử dụng phương pháp số bằng cách sử dụng thuật toán Runghe-Kutta, có sự trợ giúp của máy tính để giải hệ phương trình thuật phóng.
a. Nội dung phương pháp
Giả sử có một hệ n phương trình vi phân cấp 1:
dyi/dx = fi(x, y1, y2,…, yn); i = 1,2,….,nVới nghiệm ở điểm xm đã biết là yi.m
Để tìm nghiệm tại điểm xm+1 = xm + h, Runghe và Kutta đã đưa ra công thức gần đúng với độ chính xác đến o(h5):
yi.m+1 = yi.m+1/6(ki1+2k2i+2k3i+4k4i)
Để thực hiện giải bài toán theo công thức Runghe-Kuta trên máy tính, tôi lựa chọn phần mềm Matlab để giải quyết các yêu cầu của bài toán.
b. Kết quả bài toán thuật phóng trong
- Lựa chọn giá trị bước tích phân h = 0,0001
- Thời gian thuốc phóng cháy hết: 0,00544 s
- Thời gian đạn chuyển động trong nòng: 0,007s tại từng thời điểm đặc trưng
c. Nhận xét, đánh giá kết quả tính toán thuật phóng trong
Kết quả tính toán ở trên gần đúng với số liệu thực tế của pháo, với sai số tương đối nhỏ. Cụ thể:
Áp suất lớn nhất trong buồng đạn: Thực tế là 31 (MPa), kết quả tính toán là 32,237 (MPa). Sai số = ( 32,237-31) x 100% / 31 = 3,99%.
Sơ tốc đầu đạn v0: Thực tế là 1000 (m/s), kết quả tính toán 997,4 (m/s). Sai số (1000-997,4) x 100% / 1000 = 0,26%.
2.2. Tính toán kết cấu và thiết kế nòng
2.2.1. Kết cấu và tính toán phần dẫn động
2.2.1.1. Góc xoắn α
Góc xoắn a là góc giữa đường thẳng song song với đường trục nòng và đường tiếp tuyến với đường xoắn khi triển khai nó trong một mặt phẳng nó thể hiện mức độ dốc của rãnh xoắn. Căn cứ vào số liệu đầu vào thuật phóng trong của một số loại súng pháo hiện nay, chọn góc xoắn a cho súng máy phòng không 57mm C60 bằng 507’45’’, rãnh xoắn (phải) có độ nghiêng cố định: α = 507’45’’
2.2.1.3. Tính số rãnh xoắn
Số rãnh xoắn n được chọn sao cho áp lực riêng của đai đạn trên thành xiết của rãnh xoắn không vượt quá giá trị cho phép. Kinh nghiệm cho thấy số rãnh
xoắn có thể được chọn theo cỡ nòng
Đối với súng pháo, ta có: n = 4d = 22,8 ( Với d = 5,7 cm)
Chọn n = 25
Ta có: Đối với PPK 57mm C60 có v0 = 1000m/s, chọn a = 1,5b
2.2.1.6. Kiểm tra độ bền của đai dẫn
σod = Nmax/h.t =1946/2.10-2.10-3 =97,3 (MPa)<[σod]
Trong đó:
h = 2.10-2 (m): chiều rộng của đai dẫn
[scd] = 250 (MPa) (đối với vật liệu đai dẫn bằng đồng)
Như vậy điều kiện bền của đai dẫn được đảm bảo.
2.2.2. Tính toán phần buồng đạn
2.2.2.1. Xác định thể tích buồng đạn
Thể tích buồng đạn:
Wbd = W0 + WV + WCH
Trong đó:
W0 : thể tích buồng đạn khi thiết kế TPT
WV : thể tích vỏ đạn (túi đạn); WV = (0,08¸0,10)W0
WCH : thể tích phần sau đai dẫn của buồng đạn WCH = 0,562d3
d : đường kính của đầu đạn
Theo kinh nghiệm thiết kế buồng đạn có thể chọn:
Wbd = 1,525 + 0,1.1,525 + 0,562.0,573 = 1,78 (dm3)
2.2.2.3. Tính toán đường kính phần trụ
Ta có: dT = k4.l4+d = (1/15).51,3+57=60,42 (mm)
Chọn dT = 62 (mm)
2.2.2.4. Lựa chọn chiều dài phần hình trụ của buồng đạn
Ta có : l3 = (0,6¸1,0)d
Chọn l3 = 0,8d = 0,8.57 = 45,6 (mm). Lấy l3 = 46 (mm)
2.2.2.6. Xác định chiều dài phần côn cơ bản
l1 = lbd – l2 = 5,5 - 2,9 = 2,6 dm = 260 (mm)
2.2.2.8. Chiều dài phần côn chuyển tiếp
l2 = (0,4 ÷ 0,7)d
Với: λ = 1,06 nên l2 = 0,5d = 0,5.57 = 28,5 (mm). Lấy l2 = 29 (mm)
Đường kính d2 từ phần côn cơ bản tới phần côn chuyển tiếp được xác định theo độ côn của phần côn chuyển tiếp:
d2 = k2.l2 + dT = 1/8 .29 + 61 = 64,625 (mm), với k2 = 1/8
Lấy d2 = 65 (mm).
2.2.3. Thứ tự tính toán thiết kế nòng
2.2.3.1. Xác lập mặt cắt nòng và vị trí đầu đạn trong nòng
Vẽ ra theo tỷ lệ mặt cắt của nòng và xác lập vị trí của đầu đạn trong lòng nòng
2.2.3.2. Dựng đường cong áp suất lớn nhất
Ta biết sự thay đổi áp suất khí thuốc trong lòng nòng theo nhiệt độ thuốc phóng của f và Ik có sự phụ thuộc chặt chẽ với nhau:
f+50 = f+15 [ 1 + ηf(t3 - 150)]
IK+50 = IK+15 [1 + ηIK(t3 – 150)]
Trong đó:
t3 : nhiệt độ thuốc phóng
ηf , ηIK : hệ số tính đến sự thay đổi của f và Ik khi nhiệt độ thuốc phóng thay đổi 100C
Khi nhiệt độ ban đầu của liều phóng t = 500C:
f+50 = f+15 [ 1 + ηf(t3 - 150)] = 950000[1 + 0,00045(50-15)] = 96,5 (MPa)
IK+50 = IK+15 [1 + ηIK(t3 – 150)] = 1134[1 + (-0,0016)(50-15)] = 10,7 (kG.s/dm2)
Khi nhiệt độ ban đầu của liều thuốc t = 00C
f0 = f+15 [ 1 + ηf(t3 - 150)] = 950000[1 + 0,00045(0-15)] = 94,4 (MPa)
IK0 = IK+15 [1 + ηIK(t3 – 150)] = 1134[1 + (-0,0016)(0-15)] =11,6 (kG.s/dm2)
- Đặt giá trị này ở tung độ ứng với vị trí đáy lòng nòng – điểm b.
- Nối các tung độ pdam (điểm b) và pdim (điểm a) bằng các đường thẳng. Đường (bac) là đường cong áp suất khí thuốc lớn nhất tác dụng vào thành nòng (Áp suất dùng để tính toán nòng).
- Như vậy từ các phép tính ở trên ta có đồ thị đường cong áp suất lớn nhất như hình vẽ.
2.2.3.4. Xác định các giá trị của r1, r2
Xuất phát từ kinh nghiệm thiết kế ấn định một cách định hướng kích thước ngoài của nòng ở khu vực đầu rãnh xoắn và vùng áp suất lớn nhất r2 = (2,2¸2,5)r1, làm tròn đến bội số 5 mm.
Lấy r1 = 30 (mm); r2 = 100(mm).
2.2.3.6. Tính chiều dài phần côn chuyển tiếp mặt ngoài nòng
Ta ấn định chiều dài nòng có dạng hình trụ:
lTr = lHKN + lmg + l = 800 + 1500 + 350 = 2650 (mm)
Trong đó:
lHKN : khu vực nòng bị hộp khoá nòng chiếm chỗ;
lmg : chiều dài máng;
l : chiều dài lùi.
Ta chọn chiều dài phần côn chuyển tiếp lct = 400 (mm)
2.3. Tính toán các mối lắp ghép liên kết của nòng
2.3.1. Mối lắp ghép đầu nòng với loa hãm lùi
Phía trước đầu nòng pháo có lắp loa hãm lùi tiêu hao năng lượng lùi để làm giảm bớt lực giật lùi của thân pháo trong khi bắn. Phía sau có vị trí lắp bu lông để định vị loa và nòng pháo. Bên trong có ren để liên kết với nòng. Loa hãm lùi được liên kết với nòng bằng ren hệ mét M68x1,5 và kiểu ren trái để đảm bảo chống tháo lỏng trong quá trình bắn.
- Tính bền đoạn ren đầu nòng pháo:
Các dạng hỏng chủ yếu của ren thường gặp: nòng pháo bị kéo tại phần có ren; ren bị hỏng do dập, mòn, cắt hoặc bị uốn,…
+ Tính bền theo ứng suất cắt:
Điều kiện bền cắt của ren:
σc=Pd/π.d.H.K.KM ≤[ σc]
Trong đó:
H = 60 mm : chiều dài đoạn ren liên kết với loa hãm lùi;
K = 0,87 : hệ số độ đầy ren;
KM = 0,65 : hệ số phân bố tải trọng không đều giữa các vòng ren;
Pd : lực tác dụng của khí thuốc tác dụng vào loa hãm lùi được tính theo công thức: Pd = 35599 (MPa)
Khi đó ta có: σc= 60 (MPa) ≤[ σc] = 650 (MPa)
+ Tính bền theo ứng suất chèn dập:
Khi đó ta có: σd= 12,28 (MPa) ≤[ σc] = 650 (MPa)
Vậy với kích thước như thiết kế thì mối lắp ghép ren giữa nòng với loa hãm lùi ở đầu nòng đảm bảo đủ bền.
2.3.2. Mối lắp ghép đuôi nòng với khóa nòng
Đáy nòng là nơi chịu áp suất khí thuốc lớn nên đoạn này có thêm bản hãm nòng để đảm bảo chống xoay cũng như đảm bảo bền cho nòng súng trong quá trình bắn. Phía trong đuôi nòng có 4 vành răng gián đoạn để ăn khớp với khoá nòng đảm bảo đóng kín đuôi nòng khi bắn.
- Tính bền ren ở đuôi nòng liên kết với đầu khóa nòng
Khi tính toán các cung ren ở đuôi ta cho rằng đầu khóa làm việc như một nút chai có ren và vòng ren đầu tiên trên đuôi nòng tiếp thu tải lớn nhất bằng 0,34Pda. Độ bền của hang rang gián đoạn được tính theo điều kiện uốn, cắt và dập.
- Tính bền theo ứng suất uốn ta có:
σo= 261,5 (MPa) ≤[ σc] = 650 (MPa)
- Tính bền theo ứng suất cắt ta có:
σc= 86,7 (MPa) ≤[ σc] = 650 (MPa)
Vậy với các kích thước như thiết kế thì phần lắp ghép với đuôi nòng bảo đảm bền.
2.4. Nghiệm bền nòng
2.4.1. Ứng suất và biến dạng trên thành nòng
Khi bắn dưới tác dụng của áp suất khí thuốc trên thành nòng sẽ xuất hiện các ứng suất và biến dạng. Trong trường hợp chung thành nòng khi bắn chịu tải trọng phức và có các biến dạng khối. Có thể xác định được các ứng suất trên thành nòng khi chấp thuận một số giả thiết sau:
- Áp suất khí thuốc tác dụng với pháp tuyến với mặt trong của nòng, phân bố đồng đều và đối xứng với trục lòng nòng.
- Áp suất khí thuốc ở mỗi điểm của nòng được đặt vào ở trạng thái tĩnh và do vậy tất cả các phân tố của nòng nằm trong sự cân bằng dưới tác dụng của các lực bên ngoài;
- Nòng trước và sau khi biến dạng vẫn là hình trụ, mọi tiết diện phẳng sau khi biến dạng vẫn là tiết diện phẳng;
- Ứng suất vòng sq tác dụng theo tiếp tuyến của vòng tròn. Ứng suất này xuất hiện là do kết quả của việc kéo nòng theo vòng tròn ở tiết diện ngang, có xu hướng phá huỷ nòng theo hướng dọc và có giá trị không đổi cho mỗi đường kính của nòng. Nó còn được gọi là ứng suất tiếp tuyến.
2.4.1.1. Ứng suất và biến dạng của nòng tại đáy nòng (r1=5,5mm; r2=16,5mm)
a. Ứng suất tiếp
- Xét tại vị trí mặt trong của nòng (r = r1)
Thay số được: σθ=462,5 (MPa); σz=462,5 (MPa); εθ=2,64.10-3 (cm)
- Xét tại vị trí mặt ngoài của nòng (r = r2)
Thay số được: σθ= 02,5 (MPa); εθ=3,57.10-4 (cm)
c. Ứng suất hướng trục
- Xét tại vị trí mặt trong của nòng (r = r1)
σz=46,25 (MPa)
εz=7,14.10-5 (cm)
Trong 3 ứng suất trên thì ứng suất tiếp có giá trị lớn nhất và dùng để tính bền nòng cho pháo, giá trị ứng suất tiếp sq = 462,5 MPa.
Đối với pháo phòng không 57mm C60, người ta đã xác định vật liệu làm nòng là thép ОХН3М-60 có ứng suất tỷ lệ stl = 650(MPa).
So sánh ứng suất tiếp lớn nhất trong đoạn nòng pháo chịu áp suất khí thuốc lớn nhất với ứng suất tỉ lệ của vật liệu làm nòng pháo ta thấy: sq < stl.
Như vậy ở điều kiện một phát bắn nòng pháo ở đoạn này đủ bền.
2.4.1.3. Ứng suất và biến dạng của nòng tại vị trí đầu nòng (r1=2,85mm; r2=5mm)
a. Ứng suất tiếp
- Xét tại vị trí mặt trong của nòng (r = r1)
σz=208,81 (MPa)
σz=51,21 (MPa)
εz=1,05.10-3 (cm)
- Xét tại vị trí mặt ngoài của nòng (r = r2)
σz=102,41 (MPa)
εz=3,95.10-4 (cm)
c. Ứng suất hướng trục
- Xét tại vị trí mặt trong của nòng (r = r1)
σz=51,21 (MPa)
εz=4,9.10-5 (cm)
Trong 3 ứng suất trên thì ứng suất tiếp có giá trị lớn nhất và dùng để tính bền nòng cho pháo, giá trị ứng suất tiếp sq = 208,81 MPa.
Đối với pháo phòng không 57mm C60, người ta đã xác định vật liệu làm nòng là thép ОХН3М-60 có ứng suất tỷ lệ stl = 650 MPa.
So sánh ứng suất tiếp lớn nhất trong đoạn nòng pháo chịu áp suất khí thuốc lớn nhất với ứng suất tỉ lệ của vật liệu làm nòng pháo ta thấy: sθ < stl.
Như vậy ở điều kiện một phát bắn nòng pháo ở đoạn này đủ bền.
2.4.2. Nghiệm bền rãnh xoắn
- Ứng suất uốn: σu= M/W =0,973/2,75.10-8 =35,38 (MPa)
- Ứng suất cắt: τ=N/bh=1946/2,97.10-3.2.20-2 =33,9 (MPa)
- Ứng suất tổng: σtd = 38,238 (MPa)
Điều kiện bền được thực hiện bởi vì: σtd = 38,238 (MPa)< σe/2 = 340 (MPa)
Kết luận chương 2
Trong chương 2 này, tôi đã thực hiện các bước tính toán thiết kế nòng pháo phòng không 57mm C60, qua đó đã trang bị cho tôi những kiến thức về cấu tạo, trình tự tính toán thiết kế nòng súng pháo, xác định các thông số chế tạo súng pháo. Việc giải quyết tính hợp lý của việc thiết kế súng pháo (sai lệch tính toán chỉ dao động trong khoảng < 5%), đã giúp tối ưu hóa các yêu cầu chiến – kỹ thuật, đây là yêu cầu hết sức quan trọng đối với một kỹ sư ngành thiết kế vũ khí. Từ đó nâng cao được độ tin cậy làm việc của súng pháo. Đồng thời cũng thông qua đó, chúng ta rút ra được những ưu nhược điểm của chúng để đề ra các phương hướng cải tiến hoàn thiện.
Giải bài toán thiết kế nòng pháo phòng không 57mm C60 như trên còn rất nhiều điểm tồn tại mà quá trình tính toán không thể kể hết được dẫn đến sự thiếu chính xác trong kết cấu của nòng pháo. Chưa khai thác được hết tính hợp lý cũng như đảm bảo chắc chắn tính công nghệ chế tạo ra chi tiết là tối ưu nhất.
Chương 3
TÍNH TUỔI THỌ NÒNG VÀ BIỆN PHÁP NÂNG CAO TUỔI THỌ NÒNG PHÁO PHÒNG KHÔNG 57 mm C60
3.1. Các khái niệm chung về độ mòn và tuổi thọ nòng
3.1.1. Độ mòn nòng súng pháo
Độ mòn nòng súng pháo là những thay đổi nào đó của bề mặt lòng nòng mà không phục hồi được gây ra bởi tác động của phát bắn vào lòng nòng pháo.
Quá trình mòn lòng nòng là một hiện tượng rất phức tạp và diễn ra do các yếu tố tác động vào kim loại chế tạo nòng như sau:
- Tác động nhiệt của khí thuốc gây ra ứng suất nhiệt trên thành nòng sinh ra các vết nứt nhỏ được tôi.
- Tác động hóa học của khí thuốc làm thay đổi cấu trúc lớp bề mặt lòng nòng do biến cứng (thấm cacbon) và thấm nitơ.
- Tác động xói mòn của khí thuốc gây ra sự phá hủy cơ học các phần tử cực nhỏ của kim loại trên bề mặt lòng nòng và hình thành các vết nứt.
- Tác động cơ học của đai dẫn đạn lên bề mặt lòng nòng tạo ra biến cứng làm giảm tính nhớt và bong tróc thành nòng.
Dưới tác động của áp lực pb, sau một vài trăm phát bắn, sống xoắn sẽ bị dẹt đi, còn tác động phụ của lực p0 sẽ dẫn đến hình thành các vết nứt thoạt đầu ở cạnh không làm việc (đường thẳng ab,hình 3.2) sau đó là ở cạnh làm việc (đường thẳng bc,hình 3.2).
Khi số phát bắn tăng dần thì hầu như toàn bộ các sống xoắn ở đoạn đầu rãnh xoẵn đều bị mòn.
Đối với pháo cỡ trung bình thì độ mòn sống xoắn theo chiều dài nòng được đặc trưng bởi sự tăng đường kính và có thể chia thành 4 đoạn như hình 3.10.
Đoạn I: Đặc trưng bởi sự tăng đường kính lòng nòng lớn nhất. Đoạn này được hình thành trong vùng côn nối trên một chiều dài bằng 2¸3 lần cỡ tính từ phần đầu rãnh xoắn. Tại vị trí này, đặc biệt sống xoắn bị mòn nhanh làm cho buồng đạn bị tăng lên.
Đoạn II: Đặc trưng bởi sự giảm dần độ mòn theo hướng về phía miệng nòng và hình thành trên chiều dài 4¸8 lần cỡ tính từ phần đầu rãnh xoắn.
Đoạn III: Có độ mòn nhỏ nhất và gần như không đổi. Đoạn này có một chiều dài lớn nhất trong lòng nòng.
Đoạn IV: Đặc trưng bởi sự tăng độ mòn so với đoạn thứ III và hình thành trên chiều dài đến 2 lần cỡ tính từ mặt cắt miệng nòng. Sự tăng độ mòn ở phần đầu miệng nòng xảy ra là do khi đầu đạn chuyển động đến phần miệng nòng, phần côn sau đai đạn của đầu đạn tạo ra lỗ tròn hình vành khuyên làm cho khí thuốc có áp suất cao lọt qua đó.
3.1.3. Mối quan hệ giữa độ mòn và tuổi thọ nòng
Mối quan hệ giữa độ mòn và tuổi thọ nòng được biểu hiện qua thuật phóng trong của nòng đã bị mòn và chất lượng của đạn trong nòng. Đối với các pháo nạp đạn rời, mòn đoạn đầu phần dẫn hướng lòng nòng sẽ dẫn đến sau khi tống đạn thì đầu đạn sẽ nằm sâu hơn một lượng Dl (hình 3.11) so với nòng mới.
Độ ô van của lỗ thủng khi bắn vào bia tăng: Bia đặt cách miệng nòng 40¸60 m, vết thủng trên bia có kích thước như hình 3.12.
Tính quy luật của độ mòn phần dẫn hướng lòng nòng trong thời gian thử nghiệm kết cấu về tuổi thọ nòng cho phép sử dụng độ tăng chiều dài buồng đạn Dl hoặc độ tăng kích thước hướng kính lòng nòng theo sống xoắn (độ mòn hướng kính theo sống xoắn) Ddn như những chỉ tiêu trạng thái thuật phóng.
3.1.4. Các nguyên nhân gây mòn nòng pháo
Mòn nòng là một hiện tượng rất phức tạp và có nhiều nguyên nhân gây ra. Tính phức tạp của hiện tượng mòn nòng sinh ra một loạt lý thuyết giải thích bản chất của sự mòn. Tất cả các lý thuyết đã được chấp nhận và được chia thành 3 nhóm phụ thuộc lý thuyết đó dựa vào nguyên nhân nào là cơ bản. Như thế, các lý thuyết nhiệt, cơ học, hóa học của mòn nòng đã xuất hiện.
3.1.4.1. Tác động nhiệt của khí thuốc
Tác động nhiệt của khí thuốc gắn liền với sự nung nóng cao bề mặt bên trong của nòng pháo bằng khí thuốc có nhiệt độ 2500¸35000C. Nung nóng nòng xảy ra còn do các nguyên nhân khác sau: Công tống đạn, cắt đai đạn bởi các sống xoắn, xiết đai đạn vào cạnh của các sống xoắn, ma sát giữa đầu đạn và bề mặt lòng nòng trong quá trình đạn chuyển động trong lòng nòng.
Nung nóng nòng gây ra sự thay đổi dữ dội cơ tính của vật liệu nòng, còn tính không đều của việc nung nóng kèm theo ứng suất nhiệt cao.
Khi đó, lượng nhiệt mà thành nòng pháo hấp thụ sau 1 phát bắn sẽ được xác định bằng:
Q1 = 1/3Ed
Trong đó: Ed : năng lượng đầu nòng của đạn, Дж.
Nhiệt độ cao, áp suất khí thuốc và tính tức thời của quá trình bắn sẽ dẫn đến nung nóng không đều thành nòng theo chiều dày cũng như theo chiều dài. Ngoài ra, khi bắn, nhiệt độ cao của khí thuốc sẽ tác động trực tiếp vào bề mặt bên trong của thành nòng (hình 3.14). Độ lớn của đỉnh nhiệt độ cơ bản phụ thuộc vào cường độ và thời gian tác động nhiệt, cỡ và chiều dài nòng và thường đạt đến 1270¸18000K.
Nhiệt độ cho phép nung nóng nòng tại miệng nòng khoảng Tcp = 540¸6700K. Xuất phát từ điều kiện này người ta sẽ thiết lập ra chế độ hỏa lực. Khi tính đến nung nóng nòng là một trong các yếu tố cơ bản thì cần phải hạn chế sử dụng chế độ hỏa lực cao. Để xác định nhiệt độ bên trong thành nòng pháo ở đoạn đầu rãnh xoắn, người ta sử dụng biểu thức:
Tt = Tn + 1000K,
Trong đó: Tn : nhiệt độ bề mặt bên ngoài nòng ở phần hộp khóa nòng, còn ở phần miệng nòng thì Tt = Tn.
Do đó, nung nóng không đều khi DT = 10C sẽ sinh ra ứng suất hướng kính và ứng suất dọc trục như nhau trên lớp kim loại mỏng bên trong nòng pháo và được xác định bằng biểu thức: sk, t, 1 = sz, t, 1 = Etat.
Nếu lấy Et = 2000000 kG/cm2 thì:
sk, t, 1 = sz, t, 1 = Etat = 2000000.12.10-6 = 24 kG/cm2.
Ứng suất nhiệt là ứng suất nén, bởi vì kim loại khi bị nung nóng sẽ giãn nở, còn sức bền của khối lượng kim loại bên ngoài sẽ cản trở giãn nở này.
Khi hiệu số nhiệt độ bằng 1000C (tức là DT = 1000C) thì ứng suất hướng kính và ứng suất dọc trục của lớp mỏng kim loại bên trong nòng pháo sẽ có giá trị:
sk, t, 100 = sz, t, 100 = 100. sk, t, 1 = 2400 kG/cm2.
3.1.4.3. Tác động hóa học của khí thuốc
Các phân tử khí khi áp suất cao và nhiệt độ cao sẽ bị phân dã thành các nguyên tử. Các nguyên tử này hóa hợp mạnh với kim loại và thẩm thấu vào các chỗ rỗ của kim loại. Cuối cùng sẽ nhận được sự cháy hoàn toàn, sự hóa cứng bề mặt và thấm nitơ của kim loại. Lớp ngoài của kim loại (theo bề mặt lòng nòng) trở nên rất cứng và giòn và bị bong tróc dưới áp lực của đai dẫn đạn.
3.2. Các phương pháp tính tuổi thọ nòng
3.2.1. Phương pháp tính tuổi thọ nòng của B.V.Orlốv
Khảo sát ban đầu về mô hình vật lý của độ mòn long nòng đã đưa đến một kết luận: cường độ mòn nòng phụ thuộc vào nhiệt độ khí thuốc, trọng lượng đầu đạn, cỡ nòng và sơ tốc đầu đạn. Biểu thức toán học đối với số phát bắn cho phép Ncp có thể tính gần đúng theo B.V.Orlốv như sau:
Ncp = KT/Cqx.V0y.dz
Trong đó:
KT : hệ số nhiệt độ;
Cqx = q/d3: hệ số trọng lượng đạn (kG/dm3)
q : trọng lượng đạn (kG)
d : cỡ nòng (mm)
v0 : sơ tốc đầu đạn (m/s)
x,y,z : Các chỉ tiêu dựa trên các cơ sở phân tích các số liệu sơ bộ được xác định bằng thực nghiệm.
Độ lớn của các chỉ tiêu x,y,z trên cơ sở phân tích các số liệu sơ bộ có thể nhận các giá trị gần đúng sau: x = 3; y = 4,5; z = 2,5.
Từ thí nghiệm xác định được tuổi thọ của một nòng pháo nào đó, chẳng hạn như đối với pháo 37mm có sơ tốc đầu đạn V0 = 900 (m/s) xác định số phát bắn cho phép là: Ncp = 2100 (phát).
3.2.3. Phương pháp tính tuổi thọ nòng của Gabô và V.E. Slukhốpxki
Ncp = N0.e –kT
Trong đó:
N0 : các hệ số phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu
k : hệ số không đổi, thường lấy k = 0,003
T : nhiệt độ bề mặt lòng nòng bị nung nóng sua thời gian bắn (thường là nhiệt dộ trung bình của nòng pháo bị nung nóng sau thời gian bắn).
Khi xử lý các số liệu thử nghiệm về tuổi thọ nòng pháo V.E.Slukhopxki đã đưa ra biểu thức để tính toán đại lượng K như sau:
Trong đó: k1, k2, k3 là hệ số phụ thuộc cỡ nòng, độ dốc và độ sâu rãnh xoắn.
Các hệ số k2 = 1 khi η lần cỡ (η là chiều dài hành trình rãnh xoắn) và k3 = 1 khi độ sâu của rãnh xoắn bằng 1% cỡ nòng.
Các giá trị của hệ số k1 được cho trong (bảng 3.4)
3.3. Tuổi thọ nòng pháo phòng không 57 mm C60
3.3.1. Tính tuổi thọ nòng theo B.V. Orlốv
Các số liệu cần cho tính toán:
- Trọng lượng đạn: q = 2,8 kG
- Trọng lượng liều phóng w = 1,2 kG
- Sơ tốc vd = 997,88 m/s = 9978,8 dm/s
- Cỡ nòng d = 57mm = 0,57 dm
- Hệ số nhiệt độ KT = 7.1024
- Xác định tuổi thọ nòng theo biểu thức : Ncp = KT/Cqx.V0y.dz = 8335 (phút)
3.3.3. Tính tuổi thọ nòng theo Gabô và V.E. Slukhốpxki
Các số liệu cần cho tính toán:
- Trọng lượng liều phóng w = 1,19 kG
- Sơ tốc V0 = 1000 m/s
- Cỡ nòng d = 57mm = 0,57 dm
- Hệ số phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu N0 = 104 kg/dm2
- Tiết diện ngang lòng nòng S = 0,266 dm2
- Chiều dài qui đổi của buồng đạn l0 = W0/S = 1,525/0,266 = 5,7 dm
- Nhiệt độ cháy của thuốc phóng pirocxilin T = 2850 - 273 = 25770C
- Chiều sâu rãnh xoắn bằng 1% cỡ nòng
- Diện tích tiết diện ngang lòng nòng: S = 0,254 dm2
- Chiều dài hành trình rãnh xoắn h= 25 cỡ nòng.
- Nhiệt độ bề mặt lòng nòng trước khi bắt đầu cắt đai đạn t0 = 1500C
- Chiều rộng đai H = 25,5 mm
- Đường kính đạn gần vị trí lắp đai dd = 56 mm
- Đường kính ngoài của đai đạn D0 = 60,4 mm
Thay số vào ta được: Ncp = 120.(6,327/0,21+0,01) 3450 (phát)
Kết quả tính toán được Ncp = 3450 (phát) là khá chính xác với thực tế. Để tăng tuổi thọ của nòng, cần tăng nhiệt độ bề mặt lòng nòng trước khi bắt đầu cắt đai đạn t0 hoặc có thể thay đổi đặc tính của vật liệu có N0 lớn hơn.
*Nhận xét: Trong quá trình tính toán tuổi thọ nòng, phương pháp tính tuổi thọ nòng theo Linte và Gabo và V.E.Slukhopski được đánh giá là có độ chính xác cao hơn so với theo phương pháp của B.V.Orlov vì các thông số tính toán đầu vào phụ thuộc nhiều vào các thông số thuật phóng và thông số cấu tạo. Theo tìm hiểu thì tuổi thọ nòng pháo phòng không 57mm C60 có thể lên tới 700 - 3700 phát bắn.
3.4. Các biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng
Các biện pháp nâng cao tuổi thọ của các nòng pháo binh dựa trên luận điểm về ảnh hưởng của các yểu tố khác nhau đến độ mòn và tuổi thọ nòng và có thể phân chia thành 3 nhóm sau:
- Các biện pháp thuật phóng.
- Các biện pháp kết cấu - kỹ thuật - lôgic và các phương tiện bảo vệ.
- Các biện pháp khai thác.
3.4.1. Các biện pháp thuật phóng
Nhóm các biện pháp thuật phóng bao gồm các quyết định về tổ hợp các đặc trưng thuật phóng trong làm cho tải trọng lực và nhiệt của bề mặt lòng nòng là nhỏ nhất. Để làm điều đó trong nhiều trường hợp có thể sử dụng thành công thuốc phóng có nhiệt độ cháy thấp (gọi là thuốc phóng lạnh có nhiệt lượng Q < 2930 kДЖ), sử dụng các liều giảm và đa số các trường hợp sử dụng chất ức chế trong thành phần thuốc phóng.
Về liều phóng cần chú ý các vấn đề sau:
- Sử dụng thuốc phóng có nhiệt độ cháy nhỏ nhất có thể.
- Mồi cháy tin cậy toàn bộ liều phóng. Sử dụng các chất ức chế.
- Khi đã có kết cấu pháo, tránh áp suất khí thuốc lớn quá mức.
3.4.3. Các biện pháp khai thác
Các biện pháp khai thác bao gồm: Thực hiện nghiêm túc các điều kiện kỹ thuật về bảo quản chăm sóc, giữ gìn pháo; làm sạch và bôi mỡ nòng pháo kịp thời và thường xuyên; tuân thủ đúng các chế độ hỏa lực đã quy định; sử dụng các liều giảm trong các trường hợp có thể.
Cần phải tuân thủ các nguyên tắc khai thác sau:
- Không cho phép bắn từ những nòng pháo không sạch hoặc có dầu mở.
- Trước khi nạp đạn phải kiểm tra kỹ càng lòng nòng sao cho trong lòng nòng không có vật thể lại và dầu mỡ. Đặc biệt chú ý kiểm tra đối với pháo tăng và pháo tự hành.
- Tất cả các cơ cấu bộ phận của pháo phải sẵn sàng đồng bộ với phát bắn và phù hợp với hướng dẫn sử dụng pháo.
- Làm sạch kịp thời vết nứt trên bề mặt lòng nòng và vùng sống xoắn bị hỏng.
- Làm sạch và bôi mỡ nòng pháo kịp thời, tuân thủ nghiêm túc tất cả các nguyên tắc cần thiết. Làm sạch và bôi mỡ nòng pháo không kịp thời sẽ dần đến ăn mòn nòng pháo và loại bỏ nòng trước thời hạn.
3.4.4. Biện pháp nhiệt luyện
Nhiệt luyện là quá trình nung nóng kim loại, hợp kim đến nhiệt độ xác định, giữ nhiệt tại đó một thời gian thích hợp rồi làm nguội với tốc độ nhất định để làm thay đổi tổ chức, biến đổi cơ tính và các tính chất khác theo phương hướng đã chọn trước.
Cũng như các sản phẩm cơ khí khác, quy trình nhiệt luyện nòng pháo bao gồm quá trình nung nóng và làm nguội. Nòng pháo là một chi tiết đặc biệt do tỷ lệ giữa chiều dài trên đường kính rất lớn (với một số pháo nòng dài như pháo 37mm, 57mm... tỷ lệ này có thể lên đến 10, thậm chí hơn 20 lần) nên rất dễ bị cong vênh ngay trong quá trình nung.
Kết luận chương 3
Với kiến thức được học cùng với sự tìm hiểu của bản thân về pháo phòng không và sự hướng dẫn của giáo viên hướng dẫn nên tôi mạnh dạn đưa nội dung tính toán tuổi thọ nòng pháo phòng không 57mm C60 và một số biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng đã được trình bày ở trên. Theo đồ án, nội dung ở trên cơ bản hợp lý và đúng nội dung giáo trình kiến thức có sẵn. Đối với phương pháp tính tuổi thọ nòng theo Linte và theo Gabô và V.E. Slukhốpxki có độ chính xác khá cao và sát với thực tế, còn phương pháp tính tuổi thọ nòng theo B.V. Orlốv còn có những điểm hạn chế. Tuy nhiên, với mỗi phương pháp trên đều có những ưu nhược điểm khác nhau, điều này mở ra cho chúng ta những phương án khác tích cực hơn trong quá trình tính toán tuổi thọ nòng trong tương lai.
Thông qua việc tính toán tuổi thọ nòng, có thể đưa ra một số giải pháp để nâng cao tuổi thọ nòng để phù hợp với tình hình thực tế trong và ngoài đơn vị hiện nay như: các biện pháp thuật phóng, các biện pháp kết cấu - kỹ thuật - lôgic và các phương tiện bảo vệ, các biện pháp khai thác… Góp phần tích cực trong công tác kỹ thuật tại đơn vị sau này.
KẾT LUẬN ĐỒ ÁN
Sau một thời gian thưc hiện đồ án “Nghiên cứu tính toán kết cấu nòng và biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng pháo phòng không 57mm C60” đến nay đồ án đã được hoàn thành cơ bản như sau:
Tổng quan về nòng pháo và pháo phòng không 57mm C60 với một cách khái quát cơ bản, ngắn gọn với nội dung kiến thức cơ bản đầy đủ.
Qua việc giải bài toán thuật phóng trong, tính được giá trị áp suất lớn nhất Pmax và sơ tốc đầu đạn ban đầu v0 với sai lệch là 0,26% và 3,99% so với số liệu Pmax và v0 mà nhà sản xuất đề ra, và nghiêm cứu đặc điểm tính toán thiết kế nòng pháo phòng không 57mm C60 có các giá trị tính toán sai lệch trong khoảng < 5% so với các thông số yêu cầu. Việc tính toán với sai số tương đối nhỏ chính là cơ sở để tôi thực hiện bước tính toán thiết kế nòng cũng như nghiệm bền nòng với những số liệu tối ưu.
Thông qua việc tính toán tuổi thọ nòng bằng những phương pháp khác nhau giúp tôi thấy rõ được những ưu điểm cũng như hạn chế của từng phương pháp. Từ đó, đề ra những biện pháp nâng cao tuổi thọ nòng phù hợp với tình hình thực tế của đơn vị.
Từ việc giải quyết các nội dung của đồ án tốt nghiệp, bản thân đã tổng hợp được kiến thức cơ bản được học tại trường, vận dụng vào thực tế để tìm hiểu về kết cấu của trang bị cụ thể, thông qua lý thuyết và phương pháp nghiên cứu trên làm cơ sở cho bản thân vận dụng vào thực tế để tính toán, khai thác sử dụng các loại vũ khí cụ thể khác.
Do điều kiện và kiến thức của bản thân còn hạn chế nên không thể tránh những thiếu sót trong quá trình thực hiện nhiệm vụ của đồ án, rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của thầy giáo để đồ án của tôi được hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin chân thành cảm ơn thầy giáo Vũ Xuân Long và các thầy trong khoa Vũ khí đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đồ án./.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Phạm Huy Chương, Giáo trình cơ sở kết cấu và tính toán thiết kế máy tự động, Học viện kỹ thuật quân sự, Hà Nội (1998).
[2]. Phan Ngọc Phương, Thuật phóng trong của súng - pháo, Sĩ quan kỹ thuật quân sự (2016).
[3]. Khổng Đình Tuy, Nguyên lý kết cấu vũ khí có nòng, Học viện
kỹ thuật quân sự, Hà Nội (2003).
[4]. Ngô Quý Ty, Nguyễn Trần Hảo, Nguyên lý thiết kế súng tự động (tập 1), Trường đại học kỹ thuật quân sự (1975).
[5]. Ngô Quý Ty, Nguyễn Trần Hảo, Nguyên lý thiết kế súng tự động (tập 2), Trường đại học kỹ thuật quân sự, (1975).
[6]. Cục Quân khí/TCKT, Pháo phòng không 57mm C60, Nhà xuất bản Quân đội nhân dân, Hà Nội (2001).
[7]. Hướng dẫn cách sử dụng pháo cao xạ tự động 57mm kiểu C60 và K59, Nhà xuất bản Quân đội nhân dân (1986).
"TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"